まるで文書を編集するように、生物の設計図であるゲノムを自在に書き換える「ゲノム編集技術」。この技術が、これまで不可能だった大規模かつ精密な操作を可能にする、新たなステージへと進化を遂げました。中国科学院、遺伝学・発生生物学研究所のカイシャ・ガオ教授（Caixia Gao）が率いる研究チームは、「プログラム可能な染色体工学（PCE: Programmable Chromosome Engineering）」システムとして知られる2つの新しいゲノム編集技術を開発しました。
2025年8月4日に科学誌Cellにオンライン掲載されたこの研究は、特に植物などの高等生物において、キロベースからメガベース規模に及ぶ、複数タイプの精密なDNA操作を達成するものです。論文のタイトルは「Iterative Recombinase Technologies for Efficient and Precise Genome Engineering Across Kilobase to Megabase Scales（キロベースからメガベーススケールにわたる効率的かつ精密なゲノム工学のための反復的リコンビナーゼ技術）」です。
これまで、部位特異的リコンビナーゼであるCre-Loxシステムは、精密な染色体操作において絶大な可能性を秘めていることが多くの研究で示されてきました。しかし、その幅広い応用は、3つの重大な限界によって妨げられていました。(1) Loxサイトの対称的な性質に起因する可逆的な組換え反応が、目的の編集を元に戻してしまうこと、(2) Creリコンビナーゼが四量体を形成する性質がタンパク質改変を複雑にし、活性の最適化を困難にしていること、(3) 組換え後にLoxサイトが残存し、編集の精密さを損なう可能性があることです。
研究チームはこれらの課題の一つ一つに取り組み、この技術をさらに発展させるための新しい手法を開発しました。まず、組換え部位を迅速に改変するためのハイスループットなプラットフォームを構築し、非対称なLoxサイトの設計を提案しました。これにより、高い効率の順方向組換えを維持しつつ、可逆的な組換え活性を10分の1以下（ネガティブコントロールのバックグラウンドレベルに近づくほど）に低減させた新しいLoxバリアントの開発に成功しました。
次に、研究チームが最近開発したAiCE（AI-informed Constraints for protein Engineering: タンパク質工学のためのAI情報に基づく制約）モデル、すなわち、一般的な逆折り畳みモデルと構造的・進化的制約を統合したタンパク質指向性進化システムを活用し、リコンビナーゼ工学手法であるAiCErecを開発しました。このアプローチにより、Creの多量体化インターフェースの精密な最適化が可能となり、野生型のCreの3.5倍の組換え効率を持つ改変型バリアントを生み出しました。
最後に、チームはリコンビナーゼのための「傷跡（スカー）なし」編集戦略を設計・改良しました。プライムエディターの高い編集効率を利用し、特別に設計されたpegRNAを用いて残存Loxサイトに再プライム編集を行うRe-pegRNAという手法を開発しました。これにより、残存サイトを元のゲノム配列に正確に置換し、継ぎ目のないゲノム改変を保証します。
これら3つの革新的な技術を統合することで、PCEとRePCEという2つのプログラム可能なプラットフォームが誕生しました。これらのプラットフォームは、異なるLoxサイトの挿入位置と向きを柔軟にプログラムすることを可能にし、植物と動物の両方の細胞において、キロベースからメガベース規模のDNA断片を精密かつ傷跡なく操作することを実現します。主な成果としては、最大18.8kbの巨大DNA断片の標的挿入、5kbのDNA配列の完全な置換、12Mbにわたる染色体逆位、4Mbの染色体欠失、そして全染色体転座などが挙げられます。
概念実証として、研究者たちはこの技術を用いて315kbの精密な逆位を持つ除草剤耐性イネの遺伝資源を作出し、遺伝子工学と作物改良におけるその革新的な可能性を示しました。
この先駆的な研究は、Cre-Loxシステムの長年の限界を克服するだけでなく、様々な生物における精密なゲノム工学に新たな道を開くものです。
反復型リコンビナーゼ技術による精密染色体設計（Credit：IGDB）
